DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY,
2002
| articulo
Desenvolupament virtual de producteAvaluar la funcionalitat, la seguretat, la
qualitat, etc. d'un producte, pot ser llarg i costós. Els prototipus i els assaigs reals són eines determinants, però el
seu ús exhaustiu en la fase de creació del producte pot encarir aquest procés i retardar la seva sortida al mercat, l'alternativa és combinar eines de disseny 3D i de simulació avançada.
L'experiència, l'assaig i els terminis de desenvolupament
La creació d'un nou producte, o
la modificació d'un d'existent, sorgeix de la necessitat de
satisfer unes demandes d'utilitat o respondre a unes expectatives del mercat.
Aquestes demandes i expectatives prenen formes com: fer una nova funció, simplificar operacions, aconseguir les mateixes
funcions a un preu més baix, etc.
La creativitat, l'experiència en uns productes i uns materials determinats
acostumen a ser la base per trobar la resposta a les demandes esmentades. Allà on ja no es pot arribar amb aquestes eines, la
construcció de prototipus i la realització d'assaigs proporcionen l'ajut necessari per acomplir els
objectius.
Actualment, però,
les necessitats i seguretat han crescut, els nous materials obren perspectives
d'aplicació innovadores i, el més important, el mercat exigeix una resposta ràpida. En aquestes condicions basar la creació i el desenvolupament d'un nou producte en experiència i assaigs reals pot ser un procés llarg i costós. A tall d'exemple,
presentem dos casos reals.
Un fabricant de vàlvules per a neumàtica planteja millorar
i abaratir una de les seves vàlvules, substituint el
dispositiu funcional composat d'una bola i una molla metàl·liques, per una peça única de material
elastomèric (Figura . 1). La modificació és molt interessant: es
redueix el nombre de peces i muntatges, la fabricació de cada una de les peces és
molt senzilla i tot el procés es pot automatitzar.
Però, com es dissenya aquesta peça d’ elastòmer per obtenir la mateixa funcionalitat i
durabilitat que el producte original?
Caldrà fer prototipus reals,
per tant, mecanitzar els cossos, emmotllar la peça
d'elastòmer, etc. Caldran assaigs reals d'estànquitat, pressió màxima, durabilitat. Tots aquests assaigs ens donaran
resultats del tipus passa-no passa, i molt possiblement l'elastòmer tindrà un comportament difícil de preveure amb l'experiència. Una bona planificació en
els assaigs portarà a la solució òptima, però, el nombre de
prototipus i el temps necessari per portar a terme aquests assaigs acabarà en uns costos i un temps de desenvolupament excessius.
Els dissenyadors de pilots de senyalització per automoció han d'aconseguir
un producte que segueixi les línies estilístiques de la marea, sigui econòmic i
acompleixi uns criteris òptics en qualsevol circumstància ambiental, un
problema, derivar d'aquestes especificacions, és la temperatura que pot assolir
el cos del pilot i que el pot arribar a deformar. Preveure aquesta situació a
priori és difícil i determinar-la experimentalment molt car, ja que és
necessari construir un motlle molt complex. Per altra banda, en l'assaig només es
pot confirmar que les temperatures mesurades en la superfície deformen el pilor
(Figura. 2), però no donen informació de com corregir-les.
Aquests
exemples il·lustren la tesi principal d'aquest article: ens calen unes eines
que permetin avaluar totes les especificacions d'un producte sense necessitat
de tenir-lo físicament, i cal que aquestes eines aportin prou informació per
determinar les causes dels problemes i trobar la solució òptima.
Un cop
desenvolupat el producte amb aquestes eines, caldrà construir un prototipus i
portar a terme els assaigs necessaris, però aquests ja només compliran una
funció de verificació i control.
 Figura. 1 Valvula neumàtica  Figura.2 Assaig de temperatura en un pilot de senyalització Prototipus i assaigs virtuals
Les eines esmentades, necessàries per avaluar el producte, les trobem en els sistemes de disseny en 3D assistit per ordinador i en els programes de càlcul numèric. El desenvolupament assolit els últims 10 anys en aquests camps, permet parlar actualment de prototipus i assaigs virtuals. En certa manera aquests conceptes poden substituir els seus homòlegs reals en el procés de creació i desenvolupament d'un nou producte. Però, a més, són la font d'informació imprescindible per detectar i resoldre problemes en el producte. El prototipus virtual és la representació en sòlids 3D del producte en
desenvolupament. En la Figura, 3 en veiem uns exemples.
 Figura. 3 Prototipus virtuals Són representacions molt realistes del producte gràcies a les característiques dels sistemes avançats de disseny:
En un prototipus virtual podem avaluar propietats i característiques com:
Si sobre aquests prototipus virtuals generem una discretització en elements o diferències finites, podrem simular els assaigs necessaris per avaluar funcionalitat, seguretat, qualitat, etc., és a dir, assajarem virtualment el nostre prototipus. Hi ha una sèrie
de característiques que han convertit els càlculs numèrics en assaigs virtuals,
o el que és el mateix, simulacions realistes d'un assaig real.
 Figura. 4 Simulació acoblada terrnomecànica  Figura 5. Simulació d'impacte  Figura. 6 Simulació d 'un mecanisme. Les dades que es poden obtenir d'aquests assaigs són moltes: tensions, deformacions, pressions en superfícies de contacte, balanç, energètic, temperatures, velocitats, acceleracions, etc. I totes elles en qualsevol punt del producte. De l'anàlisi d'aquestes magnituds podrem trobar solucions per:
En els dos exemples exposats en el punt anterior, els assaigs virtuals van permetre trobar la solució òptima ràpidament, L'anàlisi de tensions i
deformacions va permetre dimensionar correctament els gruixos de la peça elastomèrica, i et control de
la pressió en les superfícies
de contacte va determinar si el grau d'estanquitat, era suficient.
Amb l'ajut de l'estudi dels fluxos de calor i
aire calent es van dissenyar les finestres de ventilació necessàries per evitar que
les parets del pilot de senyalització arribessin a
temperatures excessives.
En definitiva, l'ús dels prototipus i
els assaigs virtuals permet estalviar en la construcció de prototipus reals y la realització d'assaigs. Per altra banda, les dades obtingudes en els
assaigs virtuals son determinants per buscar solucions en els problemes
detectats en el producte.
  Figura. 7 Sirmulació de funcionament de la vàlvula neumàtica.  Figura8. Simulació del comportament tèrmic del pilot. El desenvolupament virtual de producte
La generació de models numèrics a partir dels prototipus virtuals, pot ser una tasca complexa i llarga si es vol obtenir un model realista. En un procés de desenvolupament son moltes les entrades que obliguen a plantejar modificacions en el prototipus virtual. Per aconseguir que els assaigs virtuals
tinguin una resposta ràpida cal que les eines
de disseny i generació de models numèrics estiguin vinculades de cal forma que les
modificacions en el prototipus virtual es reprodueixin automàticament en els models numèrics
(fig. 9).
En aquestes condicions podrem parlar de desenvolupament virtual de producte.
Es generarà un prototipus virtual que podrà suportar tota mena de modificacions i en qualsevol estat
es podran assajar virtualment les condicions requerides.El desenvolupament
virtual ens permetrà reduir molt
significativament el temps de desenvolupament i, pel fet de provar moltes
alternatives de disseny, trobar la solució òptima pel producte (Figura.10).
 Figura 9. Integració de les eines de desenvolupament virtual  Figura. 10 Beneficis del desenvolupament virtual. Un cas
real
Es tractava de desenvolupar un connector de seguretat per a petits electrodomèstics.Les seves característiques principals havien de ser:
Aquest producte es va desenvolupar
virtualment. Un dels punts claus va ser disposar d'un prototipus virtual (fig.
11) detallat on es podien avaluar contínuament els costos del
producte, els problemes de montatge, les toleràncies
necessàries.
En cada modificació significativa s'assajaven les condicions de funcionament
i les prescripcions de la normativa. Per exemple: la generació de la calor provocada pel pas de corrent (Figura. 12),
els assaigs de resistència mecànica en calent (Figura. 13), la durabilitat dels
contactes en maniobres continuades, etc. Els resultats van ser:
 Figura. 11 Prototipus virtual del connector  Figura. 12 Assaig virtual de temperatura generada pel corrent  Figura.13 Assaigs v irtuals de resisténcia en calent Conclusions
El desenvolupament virtual de producte proporciona eines i mètodes per millorar el procés de creació i desenvolupament d'un nou producte. L'avaluació de les especificacions del producte mitjançant prototipus i assaig virtuals, permet estudiar moltes alternatives de disseny i trobar una línia coherent de millora del producte. En resum, permet escurçar dràsticament el temps de sortida al mercat amb el millor producte possible. |
Sobre l'autor
JOSEP BUISAN FERRER
Enginyer Industrial. Expert en l'aplicació
d'eines CAD/CAE en el
desenvolupament de producte. Ha participat en projectes de R+D per a diferents sectors industrials.
Relacionat 20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 | articulo F.J. GIL, M.P. GINEBRA, J.A. PLANELL Biomaterials 20 DESCRIPTIVA DE MATERIALS. MATERIALS EN EL PROCÉS DE DISSENY, 2002 | articulo SERGIO OLLER, EUGENIO OÑATE Predicció de vida en estructures |